Горные породы

Лекция 1 ГОРНЫЕ ПОРОДЫ 1Классификация горных пород Горной породой называют геологическое тело, состоящее из минеральных агрегатов или их обломком, имеющих определенные структуру и текстуру и физико-механические свойства. По происхождению горные породы разделяются на три группы: 1 Магматические (изверженные), связанные с подъемом из глубинных зон земли, по-видимому, из мантии, природного расплава – магмы, которая претерпевает в связи с изменением давления и температуры процессы затвердения и кристаллизации. 2 Осадочные, образующиеся за счет выветривания, механического переноса и дробления, химического разложения и накопления осадков. 3 Метаморфические, образование которых связано с изменением и перекристаллизацией более древних магматических и осадочных пород. По данным Ф. Кларка верхняя часть земной породы (литосфера) до глубины 16-20 км на 95 % сложена магматическими и метаморфическими породами, а на долю осадочных приходится лишь 5 %. На поверхности суши преобладают осадочные породы (75 %). Как отмечено выше, горная порода состоит из минералов, которые могут быть в основном твердыми, реже газообразными (природный газ, сероводород) и жидкими (нефть, вода, ртуть). Чаще всего минералы выделяются в виде кристаллов, имеющих свою строго геометрическую форму и обладающих определенной кристаллической решеткой. Название минерал происходит от латинского слова «minera», что означает «рождающий металл». Имеется в виду руду для выплавки металла. В настоящее время науке известно более 3000 минералов, но чаще всего в геологических разрезах встречается несколько десятков, называемых породообразующими. Среди них глинистые (каолинит, монтмориллонит), карбонатные (кальцит, доломит), хлоридные (галит), окисные (кварц), сульфатные (ангидрит, гипс), силикатные (полевые шпаты). Породообразующие минералы во многом определяют состав, структуру, физико-механические свойства породы. В небольших количествах не более 5 % в породах представлены акцессорные (вспомогательные) минералы, которые являются характерной примесью тех или иных типов пород. Внутреннее строение горных пород характеризуют такие понятия, как текстура и структура. Текстура (лат.-ткань, сплетение) определяет сложение горных пород в целом, то есть характеризует взаимное расположение минеральных зерен в породе. Структура горных пород отражает особенности строения ее, такие, как форма, размеры и характер поверхности минеральных зерен, состав и структура цемента фиксирующего минералы. Магматические породы характеризуются главным образом массивной текстурой. В этом случае частицы породы не ориентированы и точно прилегают друг к другу. Кроме того, встречаются такситовые, шаровые и направленные текстуры. В осадочных породах известны массивные, слоистые, стилолитовые и др. текстуры. Метаморфические породы имеют в основном массивную, пятнистую, полосчатую и сланцевую текстуры. Последняя присуща гнейсам, кристаллическим сланцам и другим метаморфическим породам. Вследствие одностороннего давления, которое испытывает порода при метаморфизации, она получает способность раскалываться на тонкие плитки и пластинки. 2 Магматические породы Магматические горные породы в геологических разрезах нефтяных и газовых месторождений представлены главным образом породами кристаллического фундамента. Слово «магма» переводится с греческого, как «тесто», «паста». Поднимающийся к поверхности земли вязкий силикатный расплав, имеющий температуру 900-1100 0С, застывает внутри земли (интрузивные) породы с кристаллизацией минералов. В расплаве магмы содержатся и летучие компоненты, общее содержание которых может достигать 12 % (К. Горансон). Летучие компоненты включают главным образом пары воды и углекислый газ. При остывании и конденсации паров воды образуются гидротермальные растворы, содержащие большое количество минеральных компонентов, выпадающих в осадок в тектонических трещинах. Так образуются гидротермальные месторождения наиболее важных для человечества металлов: золота, меди, урана, кобальта, вольфрама, олова и др. При остывании и кристаллизации магмы внутри земли образуются граниты, диориты, габбро, перидотиты и ряд других пород. Из эффузивных пород наиболее часто встречаются базальты, туфы, трахиты и др. Из минералов магматических пород главными считаются кварц, полевые шпаты (калиевые полевые шпаты, представленные прежде всего алюмосиликатом калия-ортоклазом, и известково-натриевые полевые шпаты, среди которых выделяется натриевый алюмосиликат-плагиоклаз, слюды). Из акцессорных минералов известны магнетит (магнитный железняк) оксид железа Fe3O4, хромит, апатит-фосфат кальция. 3 Осадочные горные породы Осадочные породы – это продукты механического и химического разрушения более древних пород, например магматических, осадочных и метаморфических, а также остатки живых и растительных организмов. Осадочные породы покрывают более 75 % поверхности Земной суши толщиной от нескольких метров до 10-15 километров. Из осадочных пород человек извлекает почти 80 % всего минерального сырья, в том числе руды черных и цветных металлов (железо, марганец, медь, алюминий, свинец и др.), радиоактивные руды, руды россыпных месторождений золота, титана, олова, минеральные соли (каменная и калийные соли, гипсы, ангидриты, бораты, фосфаты). Из осадочных пород извлекаются наиболее важные для человечества горючие природные образования органического происхождения – каустобиолиты, включающие природные горючие газы, нефть, асфальт, озокерит и др. К каустобиолитам относятся также ископаемые угли (каменный уголь, бурый уголь, антрацит, горючие сланцы). Процесс образования осадочных пород достаточно сложен. Он протекает под воздействием ряда факторов, из которых наиболее важными являются тектонические процессы. Этапы образования осадочных пород включают следующие [1]: - образования осадочного материала путем механического раздробления пород ветром, водой, льдом, химическим разложением атмосферной и грунтовой водами, кислородом, углекислотой: - перенос раздробленных частиц осадочного материала при помощи воды, ветра, движущихся ледников, а также оползней, осыпей и обвалов; - накопление осадка, называемое также седиментогенезом; - преобразование осадка в породу (диагенез). Осадок это неравновесная система, состоящая из твердой, жидкой и газовой фаз, под влиянием физикохимического взаимодействия, также путем обезвоживания и перекристаллизации постепенно превращается в осадочную породу; - последний этап жизни осадочной породы при погружении ее в результате тектонических процессов на определенную глубину и при существенном росте давления и температуры – катагенез. При этом происходят следующие процессы: а) уплотнение породы; б) обезвоживание; в) растворение минеральных компонентов; г) возникновение новых минералов; д) перекристаллизация. В результате глубоких структурных и минеральных преобразований породы лишаются пористости и перемещение пластовых флюидов происходит по трещинам. Значительно увеличивается минерализация и газонасыщенность вод, возрастает кислотность среды. Преобразование глинистых минералов приводит к тому, что в основном они представлены хлоритами и гидрослюдами. Осадочная порода превращается в метаморфическую. По составу и происхождению осадочные породы подразделяются следующим образом: а) обломочные (терригенные) породы, являющиеся продуктами механического раздробления более древних пород с образованием осадочного материала, переноса этого материала, накопления и преобразования осадка в осадочную породу; б) хемогенные породы – продукты химического осаждения из водных растворов или химических реакций, происходящих в зоне осадкообразования; в) биогенные (органогенные) породы. Это остатки животных и растительных организмов; г) вулканогенно-осадочные породы. Это такие продукты вулканической деятельности, как туфы, обломки вулканического стекла, кластолавы и др. Данная классификация не является общепринятой. Как и другие классификации, она имеет существенные недостатки в деле систематизации осадочных пород. Например, кажется невозможным классифицировать породы без признаков происхождения. В то же время трудно выбрать место известняков, которые могут иметь обломочное, химическое и биогенное происхождение. Структуры и текстуры осадочных пород Эти понятия характеризуют строение пород. Структура – это особенность строения, характеризуемая размерами, формой, степенью однородности компонентов породы. От структуры зависят параметры физико-механических свойств пород, такие как твердость, прочность, абразивность. Структура влияет на устойчивость пород на стенках скважин, а также на ряд процессов, возникающих при разработке месторождений углеводородов. Обломочные (терригенные) породы характеризуются главным образом размером (частично окатанностью) частиц [1, 6]. Структуры Размер обломков, мм Галечная (обломки окатанные) 10-100 Щебеночная (обломки остроугольные) 10-100 Гравийная (обломки окатанные) 1-10 Дресвяная (обломки остроугольные) 1-10 Псаммитовая 1,0-0,25 Алевропсаммитовая 0,1-1,0 с заметной примесью < 0,1 Псаммоалевролитовая 0,01-0,1 с заметной примесью >0,1 Алевритовая 0,1-0,025 Алевриопелитовая <0,01 с примесью > 0,01 Пелитовая < 0,01 Структуры хемогенных пород представлены кристаллическизернистыми материалами. Различают следующие структуры с размером кристаллов (мм): Крупнозернистая > 0,5; Среднезернистая 0,5-0,1; Мелкозернистая 0,1-0,05; Тонкозернистая 0,05-0,01; Микрозернистая (пелитоморфная) < 0,01 Основные структуры глинистых пород следующие: 1 Пелитовая > 95 % глин включает частицы размером менее 0,01 мм 2 Алевропелитовая. Глины с примесью обломков алевритового материала в объеме 5-50 %. 3 Псаммопелитовая. Глины с включениями обломочного, главным образом, песчаного материала в объеме 5-50 %. Кроме того, известны ооидные, оолитовые, реликтовые структуры. Определение структур глинистых пород возможно только при применении электронного микроскопа с увеличением не менее чем в 500010000 раз. Текстуры осадочных пород Текстура или сложение пород характеризует расположение составных частей, ориентировкой их относительно друг друга. Массивная текстура, характерная для магматических пород, реже встречается в осадочных. В ней минералы и зерна расположены без всякого порядка. Следствием этого является то, что в породе с массивной структурой не наблюдается анизотропность, т.е. неравносвойственность физических параметров в разных направлениях действия нагрузки. Для осадочных пород характерна слоистая текстура, обусловленная чередованием слоев с разным материалом. В основном слоистость вызвана изменением условий осадконакопления. Различают горизонтальную и косую слоистость. Образование сланцевой текстуры во время метаморфизма осадочной породы объясняется, прежде всего, тем, что при этом боковое горное давление чаще всего не совпадает по направлению со слоистостью породы. Во время процесса перекристаллизации вещества минералы своими длинными поверхностями размещаются параллельно друг другу, но их ориентация не совпадает со слоистостью материнской породы. В этом случае при ударах по образцам керна порода может раскалываться на тонкие плитки и пластины. Обобщенной текстурной характеристикой является сплошность. Это способность пород пропускать через себя промывочную жидкость. Известны 4 категории пород по сплошности: I Промывочная жидкость поглощается вместе с буровым шламом. II В пласт проникает дисперсионная среда и дисперсная фаза в виде коллоидных частиц бурового раствора. III В пласт уходит только маловязкая дисперсионная среда (типа воды). IV Компоненты бурового раствора не проникают в массив горных пород. 4 Обломочные породы Обломочные терригенные породы имеют самое широкое распространение среди осадочных пород. Это породы, в которой обломки, т.е. продукты механического разрушения, составляют более 50 %. По классификации бывшего московского нефтяного института (ныне Российского государственного нефтегазового университета) обломочные породы подразделяются на четыре группы: грубообломочные, песчаные, алевролитовые и пелитовые (глинистые). Кроме перечисленных групп к категории обломочных относятся вулканоченно-осадочные породы. Как видно, данная классификация основывается на структурных признаках таких, как размер и форма частиц. По минеральному составу обломочные породы подразделяются на следующие типы: - мономинеральные, когда один из минералов содержит не менее 95 % объема породы; - олигомиктовые, в которых породообразующий минерал содержит 7595 % породы; - полимиктовые, имеющие в составе преобладающий минерал менее 75 % общего объема. Грубообломочные породы Грубообломочные породы включают валуны, гальку (щебень), гравий (дресва) и их сцементированные разновидности (конгломераты и брекчии с размером обломков более 2,5 мм. В геологических разрезах нефтяных и газовых месторождений встречаются редко. Песчаные породы Песчаные породы, представленные песками и песчаниками, состоят из обломков минералов размером 0,1-1 мм. В зависимости от размера частиц различают крупно-средне- и мелкозернистые группы. Минеральный состав песчаных пород содержит такие породообразующие минералы, как кварц, калиевые полевые шпаты, слюды, каолинит и др. Цементы песчаников разнообразны как по минеральному составу, так и по способу выполнения порового пространства. По минеральному составу это (в порядке уменьшения прочности) кремнистые (кремнезем), карбонатные (кальцит, доломит), сульфатные (гипс, ангидрит), железистые (гематит, сидерит, магнетит), глинистые (каолинит, монтмориллонит, хлорит, гидрослюды, смешанно-слойные образования), битуминозные и др. По способу выполнения порового пространства цементы подразделяются на пять типов: 1 Поровый. Зерна обломков контактируют друг с другом, а поры заполнены цементом 2 Контактный. Цемент находится только по площадкам контакта обломков породы. Имеется свободное пространство в виде пор. 3 Пленочный. Цементирующий материал охватывает зерна породы тонкими пленками. Также есть свободное поровое пространство. 4 Базальный. Обломки почти не соприкасаются между собой и как бы «плавают» в цементирующем материале. 5 Сгустковый (смешанный). Цементирующее вещество распределено в объеме породы неравномерно в виде сгустков. Имеется свободное пространство в виде пор. Кроме того, различают регенерационный, коррозионный, крустификационный, пойкилитовый цементы, сформировавшиеся главным образом в период перекристаллизации во время катагенеза, т.е. в момент перехода обломочных и хемогенных пород в метафорфические. Основными компонентами песчаных пород являются следующие образования: - кремнезем (не менее 70 %); - окислы алюминия; - окиси и закиси железа. Алевритовые породы Алевритовые породы состоят преимущественно из обломков величиной 0,01-0,1 мм. Различают две разновидности алевролитов: - рыхлые – алевриты; - сцементированные – алевролиты. В алевролитах преобладают кварц, халцедон, мусковит, глинистые образования, нередко присутствует органическое вещество. Известны алевролитовые породы смешанного состава. Например, алевролит песчанистый, алевролит песчаный, песчаник алевритистый, песчаник алевролитовый, глина алевритистая, глина алевритовая, алеврит пелитовый, алеврит пелитистый. В них название породы называют в зависимости от названия преобладающей (> 50 %) разности. Текстуры, структуры, тип и состав цемента во многом сходны с песчаными породами. Глинистые (пелитовые) породы Глинистые горные породы являются важнейшей составной частью обломочных пород. В них главной составляющей служит один или несколько глинистых минералов и тонкодисперсный (частицы менее 0,01 мм) обломочный материал, именуемый пелитом. Кроме того, в составе наблюдаются и обломки алевритов, песков, кальцитов и других компонентов. Глинистые минералы по составу, строению и свойствам подразделяются на следующие группы: - каолиниты; - гидрослюды; - монтмориллониты; - хлориты; - смешанно-слойные образования (ССО). Все они относятся к типу слоистых силикатов. Химический состав глинистых пород многообразен, но кислород, кремний и алюминий составляют не менее 80 % объема всех химических элементов. Глины имеют следующий комплекс свойств и признаков, выделяющих их из общего ряда обломочных пород: - способность поглощать влагу со значительным увеличением объема (разбуханием). Это прежде всего относится к монтмориллонитам. Глинистые пласты являются источником значительной части осложнений при бурении скважин; - незначительная проницаемость. Это свойство явилось причиной возникновения ловушек для нефти и газа – своеобразных экранов для мигрирующих из материнских пород флюидов. Монтмориллонитовые глины часто используют для изготовления буровых растворов. В процессе метаморфизма глины под воздействием высоких температур и давлений сильно уплотняются и превращаются в аргиллиты. Аргиллиты теряют способность размокать и становиться пластичными. Пористость их в процессе метаморфизма снижается с величины 50-70 % до 10 % и менее. Минеральный состав аргиллитов включает гидрослюды, хлориты и ССО. Конечной стадией преобразования глин в метаморфические породы является образование сланцев, преимущественно глинистых. 5 Хемогенные и биогенные породы Хемогенные и биогенные породы играют важную роль в строении нефтяных и газовых месторождений. Хемогенные породы являются продуктами химических реакций, главным образом образовались при выпадении солей из водных растворов или возникли как результат химических реакций, происходящих в земной коре. Хемогенные породы разбиты на следующие группы: - карбонатные; - кремнистые; - соляные; - железистые. Карбонатные породы широко представлены в разрезах месторождений углеводородов. Прежде всего это известняки, доломиты, мергели¸ мел, смешанные известково-доломитовые образования. Наиболее распространены известняки. Они состоят главным образом из кальцита (СаСО3), а также примесей в виде глинистого материала, карбоната магния, песчано-алевролитовых частиц. Известняк хорошо взаимодействует с соляной кислотой, поэтому кислотная обработка призабойной зоны продуктивного пласта (ПЗП), сложенная известняками или другими породами с известковым цементом или с примесью известняков, является одним из наиболее эффективных методов очистки ПЗП. Доломиты также широко представлены в породах нефтяных и газовых месторождений. Состоят преимущественно из минерала доломита (СаМg(СО3)2), а также кальцита, обломочного материала, гипса, ангидрита. Чаще всего распространены именно хемогенные доломиты, реже биогенные и обломочные. Мергель это порода промежуточного состава, занимает место между известняком и глинами. На 25-75 % мергель представлен кальцитом, остальное глинистые породы. Соляные породы также являются важной составной частью осадочного массива пород. Они состоят из сульфатов или хлоридов натрия, кальция, калия, магния. Основные минералы соляных пород следующие: гипс (СаSO4 · 2Н2О), ангидрит (САSO4), галит (NаСl ), сильвин (КСl), карналлит (КСl · MgCl2 ·6Н20), мирабилит (Nа2SO4 ·10Н2О). Как правило, соляные породы содержат глину, доломиты в качестве примесей. Наиболее распространенной соляной породой является каменная соль, состоящая из галита. Из свойств галита, кроме низких плотности, твердости и прочности следует отметить способность при высоких давлениях и температурах становится пластичным и «течь». Бурение в геологических разрезах, включающих галит и другие соли с примесями глины, приводит к существенным осложнениям и авариям. Менее распространены такие соляные породы, как сильвинит, карналлит, а также гипсовые и ангидритовые породы. Необходимо отметить то, что кроме перечисленных выше свойств, соляные породы имеют низкую (почти нулевую) проницаемость, поэтому природные ловушки для мигрирующих по разрезу нефти и газа часто сложены соляными породами. Это касается прежде всего свободных ловушек. Кроме того, соляная порода не имеет способности нести весовую нагрузку как это делают обычно горные породы, поэтому давление, равное весу вышележащих пород передается на подстилающие отложения, развивая в них аномально высокое давление, а это нередко усложняет процесс бурения скважины. Кремнистые осадочные породы состоят из кремнезема, опала, халцедона. Это прежде всего диатомиты, трепелы, яшмы и кремни, опоки. Алюминистые (глиноземистые) породы представлены главным образом латеритами и бокситами. Последние являются рудами алюминия. Биогенные (органогенные) породы называют часто породами органического происхождения, то есть основными составными частями являются остатки растительных и животных организмов, а в качестве примесей обломочные, глинистые и коллоидные образования. Известняки биогенного происхождения состоят из остатков хорошо сохранившихся раковинок фораминифер, устриц, брахиопод, гастропод, пелеципод, кораллов, водорослей, сцементированных кальцитом. Среди них известны рифовые известняки, образовавшиеся из кораллов, водорослей, моллюсков, фораминифер – и т.п. Мел в основном (до 70-80 %) сложен органическим материалом, в котором основной объем занимают остатки известковых водорослей. Биогенные доломиты в геологических разрезах встречаются редко. 6 Вулканогенно-осадочные породы Это образования промежуточного состава между вулканогенными и осадочными породами. Например, туффитовые породы содержат вулканогенный материал в объеме 50-90 %, а обломочная часть 10 - 50 %. В туфогенных породах соотношения близка к обратному: вулканогенные – 10 - 50 %, а обломочные – 50 - 90 %. 7 Метаморфические горные породы Метаморфические горные породы образуются как результат существенной переработки магматических, осадочных и метаморфических пород, образовавшихся ранее. Они получили название от греческого слова «метаморфоз» - превращение. В метаморфических породах, поднятых тектоническими процессами в верхние зоны земной коры человек добывает золото, уран, железо, вольфрам, молибден, а также строительный и облицовочный материал. Метаморфические горные породы редко встречаются в разрезах месторождений нефти и газа. Как правило, это породы кристаллического основания (фундамента) геологических платформ. Метаморфизация горных пород происходит вследствие воздействия на земную кору тектонических процессов. При постепенном погружении пород на глубину растет температура, увеличивается всестороннее и боковое одностороннее давление. По мере роста давления происходит обезвоживание пород, особенно осадочных. Образуются гигантские объемы глубинных растворов, перемещающихся из зон высоких температур и давлений вверх по массиву пород. Миграция растворов, газов приводит к химическому воздействию на минералы и образованию новых химических соединений. Минералы метаморфических пород во многом схожи с минералами магматических пород, так как и те, и другие возникли в условиях высоких давлений и температур. Это кварц, полевые шпаты, слюда. Минералы осадочных пород в условиях больших давлений и температур подвергаются химическому воздействию и превращаются в другие минералы или перекристаллизуются. Например, карбонаты без примесей превращаются в мраморы. Исключения составляют такие минералы обломочных пород, как кварц, полевые шпаты, биотит.